悬臂梁和简支梁-典尚设计

MIDAS/CIVIL软件系列培训教材之：悬臂梁和简支梁北京迈达斯技术有限公司宁波江东阳光软件开发中心目 录建立模型设定操作环境2定义材料4输入节点和单元5输入边界条件8输入荷载9运行结构分析10查看反力11查看变形和位移11查看内力12查看应力14梁单元细部分析（Beam Detail Analysis）15表格查看结果16设定操作环境19建立悬臂梁20输入边界条件21输入荷载21建模23输入边界条件24输入荷载24建立两端固定梁26输入边界条件27输入荷载28输入边界条件32 简要本课程针对初次使用MIDAS/Civil的技术人员，通过悬臂梁、简支梁等简单的例题，介绍了MIDAS/Civil的基本使用方法和一些基本功能。包含的主要内容如下。 1. MIDAS/Civil的构成及运行模式2. 视图(View Point)和选择(Select)功能 3. 关于进行结构分析和查看结果的一些基本知识(GCS, UCS, ECS等)4. 建模和分析步骤(输入材料和截面特性、建模、输入边界条件、输入荷载、结构分析、查看结果)使用的模型如图1所示包含8种类型，为了了解各种功能分别使用不同的方法输入。简支梁悬臂梁、两端固定梁62 = 12 m材料 : Grade3截面 : HM 44030011/18图1. 分析模型建立模型 设定操作环境首先建立新项目( New Project)，以Cantilever_Simple.mcb 为名保存( Save)。File / New Project File / Save ( Cantilever_Simple )单位体系是使用tonf(Force), m(Length)。 也可使用窗口下端的状态条(图4(b)来转换单位体系。 1. 在Main Menu选择ToolsUnit System 2. Length 选择m, Force(Mass) 选择tonf(ton) 3. 点击 Tools / Unit System Lengthm ; Forcetonf 本例题将主要使用图标菜单。默认设置中没有包含输入节点和单元所需的图标，用户可根据需要将所需工具条调出，其方法如下。 1. 在Main Menu选择ToolsCustomizeToolbars2. 在Toolbars选择栏钩选Node, Element, Property 3. 点击 Tools / Customize / Toolbars ToolbarsNode (on), Element (on), Property (on)图2. 工具条编辑窗口将调出的工具条参考图3拖放到用户方便的位置。 移动新调出的工具条时，可通过用鼠标拖动工具条名称(图3(a)的)来完成。对于已有的工具条则可通过拖动图3(a)的来移动。(a) 调整工具条位置之前 Grid & SnapActivationSelectionElementZoom & PanView PointNodePropertiesDynamic ViewStatus Bar(b) 调整工具条位置之后图3. 排列工具条 定义材料使用CIVIL数据库中内含的材料Grade3来定义材料。 也可不使用图标菜单而使用关联菜单的材料和截面特性材料来输入。关联菜单可通过在模型窗口点击鼠标右键调出。 1. 点击 材料 2. 点击 3. 确认一般的材料号为1（参考图4)4. 在类型 栏中选择钢材 5. 在钢材的规范栏中选择GB(S) 使用内含的数据库时，不需另行指定材料的名称，数据库中的名称会被自动输入。 6. 在数据库中选择Grade3 7. 点击 Model / Property / Material TypeSteel ; StandardGB(S) ; DBGrade3 材料类型中包括钢材、混凝土、组合材料(SRC)、用户定义等4种类型，包含的规范有GB, ASTM, JIS, DIN, BS, EN, KS等。 图4. 输入材料数据定义截面Model / Property / SectionDB/User ; Section ShapeH-Section ; DB ; DBKSSect. NameH 44030011/18 图5. 输入截面数据输入节点和单元 XYZCIVIL是为分析三维空间结构而开发的，对于二维平面内的结构需约束不需要的自由度。对此可通过选择结构类型简单地处理。本例题的模型处于整体坐标系(Global Coordinate System, GCS)的X-Z平面，故可将结构指定为二维结构(X-Z Plane)。Model / Structure TypeStructure TypeX-Z Plane建模之前先简单介绍一下鼠标编辑功能。 在建立、复制节点和单元或者输入荷载等建模过程中，需输入坐标、距离、节点或单元的编号等数据，此时可使用鼠标点击输入的方式来代替传统的键盘输入方式。 用鼠标点击一下输入栏，其变为草绿色时，即可使用鼠标编辑功能。对于大部分前处理工作都可使用鼠标编辑功能，用户手册或例题资料中的8标志即表示该处可使用鼠标编辑功能。 点栅格的间距可在 ModelGridsDefine Point Grid中调整。 为使用鼠标编辑功能需将捕捉功能激活，根据需要也可定义用户坐标系 (User-defined Coordinate System, UCS)。 捕捉功能的详细说明请参考在线帮助手册。 点栅格是为了方便建模而在UCS的x-y平面内显示的虚拟参照点。激活点栅格捕捉功能，鼠标就会捕捉距离其最近的参照点。 Front View, Point Grid (on), Point Grid Snap (on) Node Snap (on), Element Snap (on)Model / User Coordinate System / X-Z Plane CoordinatesOrigin ( 0, 0, 0 ) Rotation AngleAngle ( 0 ) toggle on SnapPoint GridGCSUCS Element的1/2 捕捉功能被激活时，鼠标就会捕捉单元的中点，另外也可将其设置为1/3或1/5。 Element 1/2 Snap图6. 各种被激活的捕捉功能图标以及GCS和UCS对于模型，采用先建立节点后再利用这些节点建立单元的方法来建模。 Node Number (on), Element Number (on)Model / Nodes / Create Nodes Coordinates ( 0, 0, 0 )8 (0, 0, 0) Status Bar的U指UCS, G指GCS。 图 7. 在原点(0, 0, 0)建立节点将建立的节点复制到梁单元的各节点位置。(将12m长的梁单元分割成6等分) 开启Auto Fitting可将新建立的节点、单元及整个模型自动缩放使其充满窗口。 Auto Fitting (on) Model / Nodes / Translate Nodes 输入dx, dy, dz等两节点间距离时可使用鼠标编辑功能通过连续点击相应节点来方便地输入。 Select Single (Node : 1 ) TranslationEqual Distance dx, dy, dz ( 2, 0, 0 )8 ; Number of Times ( 6 ) 62 = 12 m 点栅格间距的默认值为0.5m，可以此确认复制的节点间的距离是否正确。图 8. 复制节点在Node Snap被激活的状态下利用Create Elements 功能输入梁单元 钩选Intersect Node(图9的)的话，即使直接连接单元的起点(节点1)和终点(节点2)，在各节点处还是会自动分割而生成6个单元。Model / Elements / Create Elements Element TypeGeneral beam/Tapered beam 输入单元时使用鼠标编辑功能的话，点击节点的同时会生成单元，故不需另行点击键。 Material1 : Grade3 ; Section1 : HM 440x300x11/18 IntersectNode (on) ; Nodal Connectivity ( 1, 7 )8 点击 隐藏面可如图显示输入的梁单元的实际形状。 图9. 输入梁单元输入边界条件使用一般支承输入边界条件，即将节点1的Dx, Dz, Ry 自由度约束使其成为悬臂梁。 因为已将结构类型定义为了X-Z平面，故不需对Dy, Rx, Rz自由度再做约束。MIDAS/CIVIL是三维空间结构分析程序，故每个节点有6个自由度(Dx, Dy, Dz, Rx, Ry, Rz)。如图10所示，这6个自由度在模型中是由6个三角形按顺序组成的6边形表现的，被约束的自由度其三角形颜色会变成绿色，以便区分。 Element Number (off)Model / Boundary / Supports Select Single (Node : 1 )OptionsAdd Support TypeDx (on), Dz (on), Ry (on) 右上角(Dx)代表节点坐标系(未定义节点坐标系时为整体坐标系) x轴方向的位移自由度，并按顺时针方向分别代表y、z 方向位移及绕x、y、z轴的转动位移。图10. 输入边界条件(固定端)输入荷载输入节点荷载、梁单元荷载、压力荷载等荷载前，需先定义静力荷载工况(Static Load Case)。 Load / Static Load Cases Name ( NL ) ; TypeUser Defined Load图11. 定义荷载工况在悬臂梁中央（节点4）输入大小为1 tonf的节点荷载。 节点荷载的方向为 GCS的Z轴的反方向，故在FZ输入栏中输入-1。荷载的加载方向按+, -号来输入。Load / Nodal Loads Select Single ( Node : 4 ) Load Case NameNL ; OptionsAdd ; FZ ( -1 ) 荷载表单加载方向GCS Z轴图12. 输入节点荷载运行结构分析建立悬臂梁单元、输入边界条件和荷载后，即可运行结构分析。 Analysis / Perform Analysis查看反力 查看反力的步骤如下。由结果可以看出分析结果与手算的结果一致。（竖向反力1tonf，弯矩6 tonf*m） 选择FXYZ可同时查看水平反力和竖向反力。 Results / Reaction / Reaction Forces/Moments Load Cases/CombinationsST:NL ; ComponentsFXYZ Type of DisplayValues (on) ; Legend (on) 选择数值可在窗口显示结果的大小，选择图例可在窗口右侧查看最大、最小值。 数值图例荷载 在后处理模式中开启快速查询(Fast Query )的话，鼠标所在的节点或单元的相关分析结果就会在画面上显示。 如要在模型窗口显示施加的荷载，可点击 显示，在荷载表单选择相应荷载类型(这里选择节点荷载)和荷载值即可。 节点1的反力结果快速查询图13. 查看反力 DXYZ = 3 .查看变形和位移查看集中荷载的位移。 Node Number (off)Results / Deformations / Deformed Shape Load Cases/CombinationsST:NL ; ComponentsDXYZ 选择最大和最小值的话，在显示范围内(%)的结果就会在画面显示。Type of DisplayValues (on) ; Undeformed (on) Legend (on) ValuesDecimal Points ( 3 ) ; Exp. (on) MinMax OnlyAbs Max ; Limit Scale(%) ( 1 ) 最大值图14. 查看变形形状查看内力 对于单元坐标系的说明请参考在线帮助手册。构件内力根据相应单元的单元坐标系输出。首先确认单元坐标系，并查看弯矩。图15中My为弯矩，Fz为剪力，Fx为轴力。 取消之前显示的节点荷载。 DisplayLoadLoad Value, Nodal Load (off) 将单元坐标系显示于画面。ElementLocal Axis (on) 回到初始画面状态。 Initial View ; Hidden (on)单元坐标系图15. 确认单元坐标系下面查看悬臂梁中点作用集中荷载时的弯矩。 通过内力图查看构件内力。Results / Forces / Beam Diagrams Load Cases/CombinationsST:NL ; ComponentsMyDisplay Options5 Points (on) ; Line Fill (on) ; Scale (1)Type of DisplayContour (on) ; Legend (on) 图16. 查看弯矩查看弯矩后查看剪力。Results / Forces / Beam Diagrams Load Cases/CombinationsST:NL ; ComponentsFzDisplay Options5 Points (on) ; Line Fill (on) ; Scale (1)Type of DisplayContour (on) ; Values (on) Legend (on) ValuesDecimal Points ( 3 ) ; Exp. (off) MinMax OnlyAbs Max (on) ; Limit Scale(%) ( 1 ) 图17. 结构的剪力图查看应力构件的应力成分(Components)中 Sax为单元坐标系x轴方向的轴向应力, Ssy, Ssz分别为单元坐标系y, z轴方向的剪切应力,Sby, Sbz分别为单元坐标系y, z轴方向的弯曲应力。 Combined为组合应力，显示Sax Sby Sbz中的最大或最小值。下面选择Sbz成分查看弯曲应力。 Results / Stresses / Beam Stresses Load Cases/CombinationsST:NL ; ComponentsSbzType of DisplayDeform (on) ; Legend (on) 图18. 查看梁单元的弯曲应力梁单元细部分析（Beam Detail Analysis）进行完一般静力分析(移动荷载分析、反应谱分析除外)后，可使用梁单元细部分析(Beam Detail Analysis)查看梁单元细部的位移、剪力、弯矩、最大应力的分布及截面内的应力分布等。在梁单元细部分析画面的下端选择截面表单，图形上就会给出左侧截面应力(Stress Section, 图19的)栏中选择的相应应力类型的结果。详细内容请参考在线帮助手册。 Results / Beam Detail Analysis Load Cases/CombinationsST:NL ; Element Number ( 1 )Stress SectionVon-Mises 可通过移动图19的，查看梁单元i端到j端任意位置的结果。 图19. 查看梁的详细分析结果表格查看结果MIDAS/Civil可以对所有分析结果通过表格来查看。 对于梁单元，程序会在5个位置(i, 1/4, 1/2, 3/4, j)输出结果。这里对13号单元的i端和j端的结果进行查看。 Results / Result Tables / Beam / ForceNode or Element (1to3)Loadcase/CombinationST:NL (on) Part NumberPart i(on), Part j(on) 图20. 激活纪录对话框图21. 1 3号梁单元的构件内力对于表格输出的结果可以按递增或递减的顺序进行排序。 排序时在表格上点击鼠标右键调出排序信息对话框后，将要作为排序标准的列的名称从左侧移动到右侧，并通过排序(Priority, 图22的)功能调整各项的优先顺序。 CSorting DialogTable ColumnsMoment-y Sort Key Columns 钩选Asc|弯矩-y的话，会按递增顺序排列，取消钩选的话则按递减顺序排列。 Asc|Moment-y (on) ; PriorityUp 图22. 排序信息对话框下面介绍指定分析结果表格形式的方法。在类型对话框中可对结果的小数点位置、列宽、数值的对齐方式等进行调整。 可选择指数形式输出结果。 Style DialogMoment-yFormatScientific ; Plate (2) 图23. 设定表格类型的对话框及结果另外还可按荷载工况查看梁单元的构件内力(弯矩、剪力)。1. 在关联菜单(Context Menu)选择按荷载工况查看 2. 在显示项中只钩选剪力-z，弯矩-y 3. 在显示荷载工况栏中钩选 NL(ST) 4. 点击 在表格下端根据选择的项目会有不同的表单，各表单分别显示相应内容的分析结果。 图24. 按荷载工况查看梁单元的构件内力建立模型 设定操作环境MIDAS/CIVIL是由以下两种模式组成的。 前处理模式 : 建立模型并输入荷载、边界条件等 后处理模式 : 查看结果及输出结果由于要在与模型相同的文件里建立模型，故需将已进行完结构分析而处于后处理模式的状态转换到前处理模式。 Preprocessing Mode, Front View图25. 转换模式建立悬臂梁模型使用的材料和截面特性与模型相同，在这里使用建立单元(Create Elements)功能输入一个梁单元后，通过分割单元(Divide Elements)功能将其等分为6个梁单元。 对已分析的模型进行编辑的话，会出现如下对话框询问是否要删除分析结果。此时若要删除分析结果，可选择是；若想保留分析结果，可将原文件以别的名称另存为新的文件后再进行编辑。这里选择删除。在距离节点1和节点7用户坐标系UCS y方向(GCS Z) -3 m的位置输入节点8和节点9。 Node Number (on) Model / Elements / Create Elements Element TypeGeneral beam/Tapered beam Material1 : Grade3 ; Section1 : HM 440x300x11/18 Nodal Connectivity ( 8, 9 )8 3 m图26. 输入单元 下面将输入的梁单元使用分割单元功能等分为6个梁单元。 使用选择最新建立的个体 功能可选择最近建立的节点和单元。 Element Number (on) ; Hidden (off)Model / Elements / Divide Elements Select Recent Entities DivideElement TypeFrame ; Equal DistanceNumber of Times ( 6 ) 图27. 输入6个等间距梁单元输入边界条件输入悬臂梁固定端的边界条件。 Model / Boundary / Supports Select Single ( Node : 8 ) Support TypeDx (on) ; Dz (on) ; Ry (on) 输入荷载对模型输入均布荷载，但首先需定义静力荷载工况。 Load / Static Load Cases Name ( UL ) ; TypeUser Defined Load 图28. 输入静力荷载工况使用梁单元荷载功能输入均布荷载。 Node Number (off)Load / Element Beam Loads Select Window ( Elements : 7 12 )Load Case NameUL ; OptionsAdd 在图29的可选择集中荷载、均布荷载、梯形荷载、均布扭矩等荷载类型。Load TypeUniform Loads DirectionGlobal Z ; ProjectNo ; ValueRelative x1 ( 0 ) ; x2 ( 1 ) ; w ( -1 ) DisplayLoadLoad Value, Beam Load (on) ; ViewOrientation (0) 这里省略结构分析和查看结果的过程图29. 输入均布荷载建立模型建模模型采用先建立一个2m长的梁单元后，将其按照UCS的x方向以2m间距复制5次的方法来建模。 Preprocessing Mode, Active All, Front View Node Number (on) DisplayLoadLoad Value, Beam Load (off) ; Model / Elements / Create Elements Element TypeGeneral beam/Tapered beam Material1 : Grade3 ; Section1 : HM 440x300x11/18 Nodal Connectivity ( 15, 16 )8 3 m2 m图30. 输入单元 将输入的单元利用移动/复制单元 功能复制。 Model / Elements / Translate Elements Select Recent EntitiesModeCopy ; TranslationEqual Diatance dx, dy, dz ( 2, 0, 0 ) ; Number of Times ( 5 ) 52 m = 10 m图31. 输入模型输入边界条件Model / Boundary / Supports Select Single ( Node : 15 )Support TypeDx (on) ; Dz (on) ; Ry (on) 输入荷载这里将对模型利用梁单元荷载（连续）输入梯形荷载。 Load / Static Load Cases Name ( NUL ) ; TypeDead LoadLoad / Line Beam Loads Load Case NameNUL ; Load TypeTrapezoidal LoadDirectionGlobal Z ; ProjectionNo ; ValueRelativex ( 0 ) ; x2 ( 1 ) ; w1 ( -2 ) ; w2 ( -1 )Nodes for Loading Line ( 15, 21 )8输入模型的均布荷载时使用的梁单元荷载（单元）和在这里使用的梁单元荷载（连续）的差异如下图所示。即前者是对各个单元施加荷载，而后者是对指定了起点和终点的一条直线，将其作为一个整体来加载。 梁单元荷载（单元）梁单元荷载（连续） 图32. 梁单元荷载（单元）和梁单元荷载（连续）的差异 将节点15和21指定为荷载的加载区间，并输入梯形荷载的大小(-2, -1)。图33. 输入梯形荷载结构分析和查看结果的方法请参考模型的内容。建立模型建立两端固定梁这里采用先建立一个节点后，将该节点进行扩展来建立梁单元的方法建模。 Preprocessing Mode ; Front View Node Number (on)Model / Nodes / Create NodesCoordinates ( 0, -9, 0 )8 3 m图34. 输入节点 将新建的节点利用扩展（Extrude Elements）功能向UCS的x轴方向扩展成6个梁单元。 扩展单元(Extrude Elements)的功能是将节点、线单元、面单元分别扩展成为更高次的线(l梁)单元、面(板)单元和实体单元的功能。 Model / Elements / Extrude Elements Select Recent EntitiesExtrude TypeNodeLine Element Element AttributeElement TypeBeamMaterial1:SM400 ; Section1 : H 44030011/18Generation TypeTranslate ; TranslationEqual Distance dx, dy, dz ( 2, 0, 0 ) ; Number of Times ( 6 ) 62 = 12 m图35. 输入模型输入边界条件输入两端固定的边界条件。Model / Boundary / Supports Select Single ( Nodes ; 22, 28 )Support TypeDx (on), Dz (on), Ry (on) 固定端固定端图36. 输入两端固定的边界条件输入荷载对模型输入单元温度荷载和温度梯度荷载等温度荷载。 Load / Static Load Cases Name ( NT ) ; TypeTemperature Name ( TG ) ; TypeTemperature MIDAS/CIVIL提供系统温度、节点温度、单元温度和温度梯度等与温度相关的荷载。 系统温度 : 对整个模型输入的轴向温度荷载 节点荷载 : 对节点输入的轴向温度荷载，故如果选择了所有节点则等同于输入系统温度 单元温度 : 对单元输入的轴向温度荷载 温度梯度 : 对梁单元和板单元输入的上下/左右各面的温度差首先利用节点温度功能对两端固定梁的各节点输入20的节点温度荷载。 Load / Nodal Temperatures Select Single ( Nodes : 22 28 ) (图 47 )Load Case NameNT ; OptionsAdd 点击初始温度右侧的，可修改初始温度。 TemperatureInitial ( 0 ) ; Final Temperature ( 20 ) 图37. 输入节点温度荷载下面利用温度梯度功能输入温度差。 由于弯矩是温度梯度的函数，故随着单元截面的高度或宽度不同，即使输入相同的温度差，其计算结果也会是不同的。因此，如果建立的梁单元的尺寸与实际结构有差异，可选择使用截面的Hz(图38的)后输入计算温度梯度时要使用的截面高度。 Model / Load / Temperature Gradient Select Window ( Elements : 19 24 ) (图38的)Load Case NameTG ; OptionsAdd 输入单元上下面的温度差。TypesBeam ; GradientT2z-T1z ( 15 ) 图38. 输入温度梯度荷载结构分析和查看结果的方法请参考模型的内容。建立模型、模型、为简支梁，可通过复制模型、的节点和单元及其属性（边界条件、荷载等）来建模。首先在画面上显示所有的荷载和边界条件的输入状况。 Front View, Active